2.4. Типы рабочих органов машин для земляных работ.

Конструкция рабочего органа машины для земляных работ определяется в первую очередь его технологическими функциями, которыми могут быть отделение от массива кусков или слоя (стружки) грунта, захват грунта, отделившегося от массива, его накопление, удержание при переносе, укладка или погрузка, планировка, перемещение по поверхности, уплотнение, продавливание и т. п.

Рабочие органы машин для земляных работ различают по виду режущей кромки. Режущая кромка (рис. 2.1) может иметь вид прямого клина 1, косого клина 2, диска 3, совка 4 или периметра 5. Кроме этого, режущие кромки могут иметь зубья для разработки прочных грунтов.

Рис. 2.1 Типы рабочих органов землеройных машин.

По способу перемещения грунта рабочие органы делятся на три группы: отвального типа, ковшового и скребкового. Рабочие органы отвального типа, как правило, имеют режущую кромку в виде прямого или косого клина, сочетающегося с отвальной поверхностью криволинейного очертания (рабочие органы бульдозеров 6, автогрейдеров 7, грейдер - элеваторов 8 и др.).

У рабочих органов ковшового типа имеются режущие кромки, оснащенные зубьями или без них (прямая, обратная лопата 12, драглайн 13, грейфер 14, многоковшовые экскаваторы 15, 16, 17, скрепер 9). Траектории движения ковшей во время заполнения могут быть прямолинейными, как у драглайна 13 и цепного органа 15, или криволинейными, как у одноковшовых экскаваторов 12 или роторных 16, 17. Бесковшовые рабочие органы срезают грунт, не перемещая его, а для транспортирования его служат специальные средства, как например, лопатки скребкового цепного рабочего органа 18 или выбросные лопатки ротационного рабочего органа 19.

По способу действия рабочие органы различают как пассивные так и активные. К первым (поз. 6-11 на рис. 2.1) относят такие, которые при работе не перемещаются по отношению к машине, рабочие же усилия возникают от энергии, подводимой к движителю машины. Рабочие органы активного действия (поз. 12-19 на рис. 2.1) при работе перемещаются по отношению к машине и приводятся в движение двигателем машины непосредственно, минуя движитель.

Применяются и рабочие органы комбинированного действия (поз. 20-22 на рис. 2.1), которые для выполнения рабочего процесса кроме энергии, сообщаемой движителем, реализуют одновременно энергию, получаемую непосредственно от первичного двигателя (плужно-роторный рабочий орган 20, рыхлитель с вибровозбудителем 21, корчеватель активного действия 22).

2.5. Сопротивление грунтов резанию и копанию.

Под резанием грунтов подразумевается процесс отделения от грунтового массива кусков или слоев (стружки) грунта рабочим органом, имеющим форму клина (рис. 2.2), ограниченного передней 1 и задней 3 гранями. Линию пересечения этих граней называют режущей кромкой. Основными параметрами режущего клина являются угол υ заострения, угол δ резания и задний угол θ. Внедряясь в грунт и двигаясь вперед, режущий клин отделяет его часть, называемую стружкой. Форма и размеры последней зависят от вида разрабатываемого грунта (рис. 2.3).

Рис. 2.2 Параметры режущего клина.

В зависимости от положения режущего инструмента в грунтовом массиве различают следующие разновидности резания: блокированное (рис. 2.4, а), с одной (рис. 2.4, б) и двумя (рис. 2.4, в) поверхностями бокового среза, полублокированное (рис. 2.4, г) и свободное (рис. 2.4, д).

Рис. 2.3 Характерные формы грунтовых стружек при разработке пластичных (а), сыпучих (б) и скалывающихся (в) грунтов и поперечное сечение прорези после проходки режущего клина (г).

Рис. 2.4. Виды резания грунта.

В процессе блокированного резания грунт разрушается в пределах прорези (см. рис. 2.3, г), ширина которой на поверхности существенно больше ширины ножа b. На некоторой глубине h₁, которая меньше глубины резания h, прорезь расширяется и ее боковые поверхности образует с поверхностью массива определенный угол γ, зависящий от вида грунта и его состояния.

Зависимость силы резания от ширины среза имеет характер линейной функции, а от толщины среза (глубины резания) – ускоренно возрастающей функции.

Такого рода закономерности сохраняются до определенного соотношения между шириной и толщиной среза, соответствующего критической глубине h_кр резания. При h>h_кр форма прорези ABC₁D₁EF изменяется, в основном, только глубина центральной части прорези, а AB и EF по верхней части практически не изменяется. Критической глубине резания, как правило, соответствует наименьшая энергоемкость резания, которая характерна и для свободного резания (при блокированном и полублокированном резании сопротивление грунта резанию всегда выше).

При копании рабочий орган воздействует на грунт силой Р (рис. 2.5) преодолевая сопротивление грунта Р₀. Касательную составляющую последнего Р₀₁ (кН) на направление движения рабочего органа, численно равную касательной силе копанию Р₁, определяют по формуле:

; (2.1)

где к₁- удельное сопротивление грунта копанию, кПа, включающее в себя сопротивление грунта резанию, сопротивления от сил трения при перемещении призмы грунта и заполнении ковша.

Рис. 2.5 Схема силового взаимодействия землеройного рабочего органа с грунтом.

Нормальная составляющая сопротивления грунта копанию (кН):

; (2.2)

где φ – коэффициент пропорциональности.

Боковая составляющая сопротивления грунта копанию Р₀₃, численно равная боковой силе копания Р₃, возникает лишь в случае разработки неоднородных по ширине режущей кромки грунтов, а также когда режущая кромка наклонена под углом, отличным от прямого – косое резание.

В случае необходимости выделения из усилия Р₁ силы резания Р_р ее абсолютное значение (кН) определяется выражением:

; (2.3)

где к – удельное сопротивление грунта резанию, кПа, которое по величине меньше значений к_1.

На сопротивление грунта резанию большое влияние оказывает износ и затупление режущей кромки. Допускаемый на практике износ режущей кромки может вызывать увеличение силы резания до 200 %.

Нормативным износом считается затупление, радиус которого 2-3 мм для ковшей малой вместимости (до 1 м³) и 7-10 мм для ковшей вместимостью (50-100 м³).

Для уменьшения затупления применяется наплавка передней грани режущей кромки твердыми сплавами и армирование передних граней твердосплавными высокоизносостойкими пластинами.

На силы резания значительно влияет угол резания δ: увеличение его от 40 до 60% и уменьшение (менее (30%) сопровождается ростом сопротивления грунта резанию). Наиболее употребительными для землеройных машин являются углы резания δ=30÷40⁰.

Скорость резания. Обычными для землеройных машин являются скорости резания порядка 0,5-2,0 м/с. В этих пределах изменения скоростей удельное сопротивление копанию существенно не изменяется. При увеличении скорости резания до 6-9 м/с (ротационные рабочие органы с инерционным выбросом грунта) энергоемкость процесса копания возрастает на 30÷50%.

Установка зубьев. Зубья на режущей кромке рабочих органов МЗР устанавливают для получения опережающего сдвига и разрыхления грунта. Но в сыпучих и вязких грунтах применение режущего органа с зубьями может привести к отрицательным результатам. Зубья, снижающие сопротивление резанию плотных скалывающихся грунтов, ухудшают условия перемещения их в ковш, т. к. для подпора разрыхленного грунта требуется большая призма волочения.

Снижение энергоемкости процесса копания можно получить при установке на рабочем органе МЗР полукруглой режущей кромки вместо прямоугольной. Такая кромка способствует прохождению грунта по рабочей поверхности без образования призмы волочения. Полукруглая режущая кромка более прочная по сравнению с прямоугольной, а, следовательно, и более тонкая. Благодаря этому ковш лучше внедряется в грунт, который непрерывным потоком заполняет его.

Процесс резания грунта рабочим органом МЗР неизбежно сопровождается трением последнего о грунт, взаимным трением грунта и перемещением призмы волочения. Трение происходит и по рабочей поверхности режущего инструмента при заполнении емкости, разгоне грунта до скорости его перемещения, а также при внедрении режущего инструмента в грунт. Сумма всех указанных сопротивлений составляет сопротивление грунта копанию (совокупность процессов, включающих в себя резание грунта, перемещение его по рабочему органу, внутри его и перед ним и др.)

; (2.4)

где Р₀₁=к·в·h, к- удельное сопротивление грунта резанию, в –ширина пласта, h – толщина пласта; Р_тр – сопротивление трения рабочего органа о грунт; Р_пр – сопротивление перемещения призмы волочения; Р_з –сопротивление возникающее при заполнении грунтом емкости рабочего органа; Р_и – сопротивление грунта разгону обусловленное инерционным нагрузкам; Р_в – сопротивление внедрению в грунт режущего инструмента. Подробнее сопротивление грунта копанию для различных видов рабочих органов будет рассмотрено ниже при описании рабочих процессов различных типов МЗР.